CN1119739A - 金属/聚合物复合材料界面电位分布测量装置 - Google Patents

金属/聚合物复合材料界面电位分布测量装置 Download PDF

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Abstract

涉及一种电化学方法测试或分析材料的装置，M×N阵列电极和参考电极置入电解池，阵列电极的引出端接多通道模拟开关，其输出通过A/D转换后输至微计算机，微计算机输出的控制信号通过数字I/O及电平转换器接多通道模拟开关。可直接原位测量金属/聚合物界面的电位分布，由此可研究腐蚀物种在聚合物涂层中的传输过程，可研究聚合物涂层的不均一性及缺陷分布，研究金属/聚合物界面的腐蚀电化学机理，评测聚合物涂层的耐蚀性能。

Description

金属/聚合物复合材料界面电位分布测量装置
本发明涉及一种用电化学方法测试或分析材料的装置。
金属/聚合物或金属/无机材料等各种复合材料在现代工程中具有越来越重要的作用。这些复合材料的破坏失效通常首先发生在金属/聚合物或金属/无机材料的界面。金属/涂层界面的腐蚀破坏的本质绝大多数是电化学过程，因此，多种电化学技术，包括直流稳态技术和交流阻抗技术等被广泛用于研究金属/聚合物界面的腐蚀破坏机制，并评测涂层的耐蚀性能。然而，由于金属表面的聚合物高绝缘性，传统电化学难以检测金属/聚合物界面的腐蚀行为。金属/聚合物界面腐蚀电位的测量对于研究金属/聚合物界面不均一性，了解金属/聚合物复合材料的腐蚀破坏机理，评测有机聚合物涂覆层的耐蚀性能是非常重要的。
目前国内外已发展多种技术试图测量金属/聚合物界面不均一性，包括扫描交流阻抗技术、束丝电极和扫描Kelvin探针技术等。J.V.Standish和H.Leidheiser Jr.(Corrosion，1980，36：390)提出的扫描交流阻抗技术是利用微探头在有机涂层表面扫描，并施加单一频率的交流激励信号，测量表面不同位置的电流响应，以获得交流阻抗分布图。T.Y.Jun(Progressin Organic Coatings，1991，19：95)提出的束丝电极是将一束金属丝相互绝缘后用环氧树脂固封在一起，金属丝呈随机分布，截面涂覆有机涂层，尔后置于溶液中手动测量逐个金属丝的电阻，从而获得有机涂层的不均一性。M.Stratmann等(Phys，Chen.，1991，95：1365；Electrocjimica Acta，1994，39：1207)研究的扫描Kelvin探针技术是利用一支以固定频率震荡的铬/镍针尖(即Kelvin探头)在涂层表面扫描，通过测量涂层表面与探针之间的伏打(Volta)电位，可获得金属/涂层界面的腐蚀电位。上述这些技术有较大的局限性，扫描交流阻抗技术和束丝电极法均不能直接获得金属/聚合物界面三维空间的腐蚀电位分布，扫描Kelvin探针技术测量仪器复杂，且当涂层较厚时，难以测得金属/涂层界面的腐蚀电位分布。
本发明的目的在于提供一种采用阵列电极配合多通道电子开关及微计算机技术，可直接原位测量金属/聚合物复合材料界面电位分布的装置。
本发明由阵列电极、参考电极、电解池、多通道模拟开关、A/D转换器、微计算机、电平转换器组成。其中，阵列电极由一组金属丝按M×N阵列排列，金属丝的一端封装在绝缘材料套圈内，端截面涂刷有机聚合物涂层，每根金属丝间相互绝缘。阵列电极和参考电极置于电解池内，阵列电极的引出端分别接多通道模拟开关和多路模/数转换器，多通道模拟开关的一个公共I/O端与参考电极相连。多路模/数转换器的输出接微计算机，微计算机的数字I/O端口输出接电平转换器，电平转换器的开/关控制信号接多通道模拟开关。
阵列电极可采用M×M阵列平行排列。多通道模拟开关可采用COS-4路双向模拟开关。
利用本发明所述的测量***，当微计算机送出的控制信号使得阵列电极的引出端全部连接一起，即相当于一片基底金属表面覆有涂层；而当计算机控制使阵列电极引出端相互断开，并由微计算机控制对64根电极进行腐蚀电位逐个扫描测量(阵列电极引出端相互断开及电位测量的时间约在毫秒数量级)，由作图程序绘制金属/聚合物界面腐蚀电位分布(三维空间)图。显然，本发明可直接原位测量金属/涂层界面腐蚀电位分布，由此可获得有关涂层中的传输过程，涂层的不均一性及缺陷分布，涂层下金属腐蚀破坏机制等重要研究信息，还可用于评测涂层的耐腐蚀性能；本发明不仅可用于研究金属/聚合物界面腐蚀行为，而且还可测量金属/无机材料界面腐蚀电位及其它复合材料界面电位。利用本发明所得的图象直观清晰，便于数据分析，且方法简单，适用性广。本发明的测量方法及效果将在以下的测量实例中作进一步的说明。
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明阵列电极结构图。
图3为图3的仰视图。
图4为本发明的电路原理图。
图5为计算机控制测量金属/涂层界面腐蚀电位分布流程图。
图6为在0.1M氯化钠溶液中浸渍4h，阵列电极表面涂覆约50μm厚度硝基漆，当涂层轻微划伤时金属/涂层界面的腐蚀电位分布图。
图7为图6的X-Y分布图。
图8为在0.1M氯化钠溶液中漫渍24h，阵列电极表面涂覆约50μm厚度硝基漆，当涂层轻微划伤时金属/涂层界面的腐蚀电位分布图。
图9为图8的X-Y分布图。
图10为在0.1M氯化钠溶液中浸渍4h，阵列电极表面涂覆约50μm厚度硝基漆，当涂层有气泡缺陷时金属/涂层界面的腐蚀电位分布图。
图11为图10的X-Y分布图。
图12为在0.1M氯化钠溶液中浸渍120h，阵列电极表面涂覆约50μm厚度硝基漆，当涂层有气泡缺陷时金属/涂层界面的腐蚀电位分布图。
图13为图12的X-Y分布图。
图14为在0.1M氯化钠溶液中浸渍72h，阵列电极表面涂覆约50μm厚度硝基漆，当基底表面受锈蚀污染时金属/涂层界面的腐蚀电位分布图。
图15为图14的X-Y分布图。
图16为在0.1M氯化钠溶液中浸渍136h，阵列电极表面涂覆约50μm厚度硝基漆，当基底表面受锈蚀污染时金属/涂层界面的腐蚀电位分布图。
图17为图16的X-Y分布图。
本发明的原理框图如图1所示，由表面涂覆有涂层的8×8阵列电极(1)、电解池(2)、多通道模拟开关(3)、参考电极(4)、A/D转换器(5)、微计算机(6)和电平转换器(8)组成。参见图2，8，阵列电极由一束64根直径为0.3mm的金属丝(例如铁丝)按8×8阵列平行排列，其一端用环氧树脂封装在有机玻璃套圈(11)内，端截面涂刷所要研究的有机聚合物涂层(12)，每根金属丝间相互绝缘。阵列电极装配上研究用电解池(2)，置入参考电极(4)，充入所需研究的各种溶液介质。阵列电极的所有电极引出端直接通过多通道模拟开关(3)与测量***连接，从计算机设置必要的实验参数(如测量次数、测量间隔时间、总实验时间等)，运行程序即可自动测量且绘制金属/聚合物界面腐蚀电位分布图象。
图4给出本发明的电路原理图，8×8阵列电极由JP1输入，通过JP2接到ADC的64路多路转换器的输入端，并同时接到U1～U16 16片CMOS-4路双向模拟开关(MC4066)的一个I/O端，16片MC4066的另一个I/O端连接在一起，并与参考电极(4)相连。当PC从JP3输出TTL高电平(＞3.6V)时，经U17(LF351)电平转换输出+5V，MC4066开关导通，所有电极短接在一起。而当PC输出TTL低电平(＜0.35V)时，经U17电平转换输出-5V，MC4066开关截止，这时各电极独立分开，可由ADC多路转换器分别选择测量。由此可见，当微机(PC)控制使得阵列电极的引出端全部连接一起，即相当于一片基底金属表面覆有涂层，而当微机控制使阵列电极引出端相互断开，并由微机控制对64根电极进行腐蚀电位逐个扫描测量，测量数据经A/D转换，送微机处理，由作图程序绘制成三维空间电位分布图，多通道模拟开关的动作由微机送出信号，通过数字I/O端口(7)、电平转换器加以控制。通常在浸渍条件下，阵列电极的64根线端全部短接一起，即多路开关处于“开”状态，而只有在测量金属/涂层界面腐蚀电位时，阵列电极的64根线端才全部相互断开，此时，多路开关处在“断”状态。计算机控制的测量流程图如图5所示。以下给出3个测量实例。
1.图6～9为阵列电极涂覆约50μm厚的硝基清漆，表面有一道轻微人工划痕，在0.1MNaCl溶液中浸渍4小时和24小时的界面腐蚀电位分布图象。电位分布图象清晰地指明聚合物涂层的缺陷(划伤)位置。腐蚀优先在缺陷位置发生，在缺陷的中心位置为腐蚀的阳极区，在阳极区周围存在阴极区，腐蚀过程随浸泡时间而发展。由此可敏感检测涂层缺陷位置，考察缺陷对涂层或复合材料腐蚀破坏的影响。
2.图10～13为阵列电极表面涂覆约50μm厚的硝基清漆，在0.1MNaCl溶液中浸渍4小时和120小时的界面腐蚀电位分布图象。图中腐蚀电位最负的位置正好对应于涂层中的气泡位置(气泡是由涂覆过程自然引入的)。气泡是聚合物涂层中重要而又普通的缺陷，显然腐蚀首先发生在气泡缺陷的位置，而且随着浸泡时间而发展。
3.图14～17是阵列电极表面涂覆约50μm左右硝基清漆，在0.1MNaCl溶液中漫渍72小时和136小时的界面腐蚀电位分布图象。发现有机涂层是不均匀的，腐蚀破坏优先发生在薄弱的位置，并随时间而发展。特别注意到，在腐蚀的阳极区(电位峰位置)周围伴随有阴极区(电位谷的位置)的存在。在阳极区发生金属的溶解、腐蚀，而在阴极区发生涂层起泡、脱层破坏。阴极区也不断扩展，阳极区也随之发展，这就是金属/聚合物腐蚀破坏的基本过程。

Claims (3)

1.金属/聚合物复合材料界面电位分布测量装置，其特征在于包括阵列电极、参考电极、电解池、多通道模拟开关、A/D转换器、微计算机和电平转换器，阵列电极由一束金属丝按M×N阵列排列，金属丝的一端封装在绝缘材料套圈内，端截面涂刷有机聚合物涂层，每根金属丝间相互绝缘；阵列电极和参考电极置于电解池内，阵列电极的另一引出端分别接多通道模拟开关和多路模/数转换器；多通道模拟开关的一个公共I/O端与参考电极相连；多路模/数转换器的输出接微计算机，微计算机的数字I/O端口输出接电平转换器，电平转换器的开/关控制信号接多通道模拟开关。
2.如权利要求1所述的金属/聚合物复合材料界面电位分布测量装置，其特征在于所说的阵列电极为M×M阵列平行排列。
3.如权利要求2所述的金属/聚合物复合材料界面电位分布测量装置，其特征在于所说的阵列电极为8×8阵列平行排列。
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